Rangkaian listrik arus searah dan karakteristiknya

Properti pembangkit DC terutama ditentukan oleh cara kumparan eksitasi dihidupkan. Ada generator eksitasi independen, paralel, seri, dan campuran:

• bersemangat secara independen: kumparan medan ditenagai oleh sumber DC eksternal (baterai, generator tambahan kecil yang disebut exciter atau penyearah),

• eksitasi paralel: belitan medan dihubungkan secara paralel dengan belitan angker dan beban,

• eksitasi seri: belitan medan dihubungkan secara seri dengan belitan jangkar dan beban,

• dengan eksitasi campuran: ada dua belitan medan - paralel dan seri, yang pertama terhubung secara paralel dengan belitan angker, dan yang kedua terhubung secara seri dengan itu dan beban.

Generator paralel, seri, dan eksitasi campuran adalah mesin dengan eksitasi sendiri karena lilitan medannya diberi energi oleh generator itu sendiri.

Eksitasi generator DC: a — independen, b — paralel, c — seri, d — campuran.

Semua generator yang terdaftar memiliki perangkat yang sama dan hanya berbeda dalam konstruksi kumparan eksitasi. Kumparan eksitasi independen dan paralel terbuat dari kawat dengan penampang kecil, mereka memiliki jumlah belokan yang besar, kumparan eksitasi seri terbuat dari kawat dengan penampang besar, ada sejumlah kecil belokan.

Properti generator DC dievaluasi berdasarkan karakteristiknya: idle, eksternal, dan kontrol. Di bawah ini kita akan melihat karakteristik ini untuk berbagai jenis generator.

Generator bersemangat secara mandiri

Ciri khas generator dengan eksitasi independen (Gbr. 1) adalah bahwa arus eksitasi Iv tidak bergantung pada arus angker Ii, tetapi hanya ditentukan oleh tegangan Uv yang disuplai ke koil eksitasi dan resistansi Rv dari rangkaian eksitasi .

Beras. 1. Diagram skematik generator yang tereksitasi secara independen

Biasanya arus medan rendah dan berjumlah 2-5% dari arus jangkar pengenal. Untuk mengatur tegangan generator, rheostat untuk regulasi Rpv sering disertakan dalam rangkaian belitan eksitasi. Pada lokomotif, arus Iv diatur dengan mengubah tegangan Uv.

Karakteristik idle generator (Gbr. 2, a) — ketergantungan tegangan Uo saat idle pada arus eksitasi Ib tanpa adanya beban Rn, yaitu pada In = Iya = 0 dan pada kecepatan rotasi konstan n. Pada kondisi tanpa beban, saat rangkaian beban terbuka, tegangan generator Uo sama dengan e. dll. v.Eo = cEFn.

Karena ketika menghilangkan karakteristik kecepatan diam, kecepatan n tetap tidak berubah, maka tegangan Uo hanya bergantung pada fluks magnet F.Oleh karena itu, karakteristik idle akan serupa dengan ketergantungan fluks F pada arus eksitasi Ia (karakteristik magnetik dari rangkaian magnetik generator).

Karakteristik tanpa beban dapat dengan mudah dihilangkan secara eksperimental dengan meningkatkan arus eksitasi secara bertahap dari nol ke nilai di mana U0 = 1,25Unom dan kemudian menurunkan arus eksitasi menjadi nol. Dalam hal ini, cabang karakteristik naik 1 dan turun 2 diperoleh. Divergensi cabang-cabang ini disebabkan oleh adanya histeresis di sirkuit magnetik mesin. Ketika Iw = 0 pada belitan jangkar, fluks magnetisme remanen menginduksi d remanen, dll. dengan Eost, yang biasanya 2-4% dari tegangan nominal Unom.

Pada arus eksitasi rendah, fluks magnet mesin kecil, oleh karena itu di wilayah ini fluks dan tegangan Uo berubah berbanding lurus dengan arus eksitasi, dan bagian awal dari karakteristik ini adalah garis lurus. Saat arus eksitasi meningkat, sirkuit magnetik generator menjadi jenuh dan kenaikan tegangan Uo melambat. Semakin besar arus eksitasi, semakin kuat saturasi sirkuit magnetik mesin dan semakin lambat tegangan U0 meningkat. Pada arus eksitasi yang sangat tinggi, tegangan Uo praktis berhenti meningkat.

Karakteristik tanpa beban memungkinkan Anda memperkirakan nilai kemungkinan tegangan dan sifat magnetik mesin. Tegangan nominal (ditunjukkan dalam paspor) untuk mesin serba guna sesuai dengan bagian jenuh dari karakteristik ("lutut" kurva ini).Dalam generator lokomotif yang membutuhkan pengaturan tegangan rentang lebar, bagian tak jenuh lengkung dan garis lurus digunakan.

D. d. C. mesin berubah sebanding dengan kecepatan n, oleh karena itu, untuk n2 < n1, karakteristik menganggur terletak di bawah kurva untuk n1. Ketika arah putaran generator berubah, arah e berubah. dll. c. Diinduksi dalam belitan jangkar, dan karenanya polaritas sikat.

Karakteristik eksternal generator (Gbr. 2, b) adalah ketergantungan tegangan U pada arus beban In = Ia pada kecepatan konstan n dan arus eksitasi Iv. Tegangan generator U selalu lebih kecil dari e. dll. c.E dengan nilai jatuh tegangan pada semua belitan yang dihubungkan secara seri pada rangkaian jangkar.

Saat beban generator meningkat (arus belitan jangkar IАЗ САМ — азЗ), tegangan generator berkurang karena dua alasan:

1) karena peningkatan penurunan tegangan pada rangkaian belitan angker,

2) karena penurunan e. dll. akibat aksi demagnetisasi fluks jangkar. Fluks magnet angker agak melemahkan fluks magnet utama Ф generator, yang menyebabkan sedikit penurunan e. dll. v. E saat memuat terhadap e. dll. dengan Eo saat menganggur.

Perubahan voltase selama transisi dari mode diam ke beban pengenal di generator yang dipertimbangkan adalah 3 — 8℅ pengenal.

Jika Anda menutup sirkuit eksternal dengan resistansi yang sangat rendah, yaitu, hubung singkat generator, tegangannya turun menjadi nol.Arus dalam belitan jangkar Ik selama hubung singkat akan mencapai nilai yang tidak dapat diterima di mana belitan jangkar dapat terbakar. Pada mesin berdaya rendah, arus hubung singkat bisa 10-15 kali arus pengenal, pada mesin berdaya tinggi, rasio ini bisa mencapai 20-25.

Beras. 2. Karakteristik generator dengan eksitasi independen: a — diam, b — eksternal, c — pengatur

Karakteristik pengatur generator (Gbr. 2, c) adalah ketergantungan arus eksitasi Iv pada arus beban Masuk pada tegangan konstan U dan frekuensi putaran n. Ini menunjukkan bagaimana mengatur arus eksitasi untuk menjaga tegangan generator tetap konstan saat beban berubah. Jelas, dalam hal ini, ketika beban meningkat, arus eksitasi perlu ditingkatkan.

Keuntungan dari generator yang tereksitasi secara independen adalah kemampuan untuk menyesuaikan tegangan pada rentang yang luas dari 0 hingga Umax dengan mengubah arus eksitasi dan perubahan kecil pada tegangan generator di bawah beban. Namun, itu membutuhkan sumber DC eksternal untuk menyalakan kumparan medan.

Generator dengan eksitasi paralel.

Pada generator ini (Gbr. 3, a) arus belitan jangkar Iya bercabang ke rangkaian beban eksternal RH (arus In) dan ke belitan eksitasi (arus Iv), arus Iv untuk mesin daya sedang dan tinggi adalah 2- 5 % dari nilai pengenal arus pada belitan angker Mesin menggunakan prinsip eksitasi sendiri, di mana belitan eksitasi diumpankan langsung dari belitan angker generator. Namun, eksitasi sendiri generator hanya mungkin jika sejumlah kondisi terpenuhi.

1.Untuk memulai proses eksitasi sendiri generator, diperlukan fluks magnet sisa di sirkuit magnet mesin, yang menginduksi e di belitan angker. dll. desa Eost. Ini e.dll. v. menyediakan aliran melalui sirkuit "lilitan jangkar - belitan eksitasi" dari beberapa arus awal.

2. Fluks magnet yang diciptakan oleh kumparan medan harus diarahkan sesuai dengan fluks magnet sisa magnetisme. Dalam hal ini, dalam proses eksitasi sendiri, arus eksitasi Iv dan karenanya fluks magnet Ф dari mesin e akan meningkat. dll. v. E. Ini akan berlanjut sampai, karena saturasi sirkuit magnetik mesin, peningkatan F lebih lanjut dan oleh karena itu E dan Ib berhenti. Kebetulan arah fluks yang ditunjukkan dipastikan dengan sambungan yang benar dari belitan eksitasi ke belitan angker. Jika terhubung secara tidak benar, mesin mengalami demagnetisasi (sisa magnet menghilang) dan e. dll. c. E berkurang menjadi nol.

3. Resistansi rangkaian eksitasi RB harus lebih kecil dari nilai batas tertentu yang disebut resistansi kritis. Oleh karena itu, untuk eksitasi tercepat dari generator, ketika generator dihidupkan, direkomendasikan untuk mengeluarkan sepenuhnya pengatur rheostat Rpv yang terhubung secara seri dengan koil eksitasi (lihat Gambar 3, a). Kondisi ini juga membatasi kemungkinan pengaturan arus medan, dan karenanya tegangan generator yang tereksitasi paralel. Biasanya dimungkinkan untuk mengurangi tegangan generator dengan meningkatkan resistansi rangkaian belitan medan hanya ke (0,64-0,7) Unom.

Beras. 3.Diagram skematik generator dengan eksitasi paralel (a) dan karakteristik eksternal generator dengan eksitasi independen dan paralel (b)

Perlu dicatat bahwa eksitasi sendiri dari generator membutuhkan proses peningkatan e. dll. dengan E dan arus eksitasi Ib terjadi saat mesin idle. Jika tidak, karena nilai Eost yang rendah dan penurunan tegangan internal yang besar pada rangkaian belitan jangkar, tegangan yang diterapkan pada belitan eksitasi dapat turun hingga hampir nol dan arus eksitasi tidak dapat meningkat. Oleh karena itu, beban harus dihubungkan ke generator hanya setelah tegangan pada terminalnya mendekati nominal.

Ketika arah putaran angker berubah, polaritas sikat berubah dan oleh karena itu arah arus di belitan medan, dalam hal ini generator mengalami demagnetisasi.

Untuk menghindari hal ini, saat mengubah arah putaran, kabel yang menghubungkan kumparan medan ke kumparan angker perlu diganti.

Karakteristik eksternal generator (kurva 1 pada Gambar 3, b) menunjukkan ketergantungan tegangan U pada arus beban In pada nilai konstan kecepatan n dan resistansi rangkaian penggerak RB. Itu terletak di bawah karakteristik eksternal dari generator yang tereksitasi secara independen (kurva 2).

Ini dijelaskan oleh fakta bahwa selain dua alasan yang sama yang menyebabkan penurunan tegangan dengan meningkatnya beban pada generator yang tereksitasi secara independen (penurunan tegangan pada rangkaian jangkar dan efek demagnetisasi dari reaksi jangkar), ada alasan ketiga dalam dianggap generator - pengurangan arus eksitasi.

Karena arus eksitasi IB = U / Rv, yaitu tergantung pada tegangan U mesin, maka dengan penurunan tegangan, karena dua alasan ini, fluks magnet F dan e berkurang. dll. v. generator E, yang menyebabkan penurunan voltase lebih lanjut. Icr arus maksimum yang sesuai dengan titik a disebut kritis.

Ketika belitan jangkar dihubung pendek, arus Ic dari generator yang dieksitasi paralel kecil (titik b), karena dalam mode ini tegangan dan arus eksitasi adalah nol. Karenanya arus hubung singkat hanya dibuat oleh e. dll. dari sisa magnetisme dan adalah (0,4 ... 0,8) Inom .. Karakteristik eksternal dibagi dari titik a menjadi dua bagian: atas — bekerja dan lebih rendah — tidak bekerja.

Biasanya, tidak seluruh bagian kerja digunakan, tetapi hanya sebagian saja. Pengoperasian bagian ab dari karakteristik eksternal tidak stabil, dalam hal ini mesin masuk ke mode yang sesuai dengan titik b, yaitu. dalam mode hubung singkat.

Karakteristik tanpa beban dari generator dengan eksitasi paralel diambil dengan eksitasi independen (ketika arus di jangkar Iya = 0), oleh karena itu tidak berbeda dengan karakteristik yang sesuai untuk generator dengan eksitasi independen (lihat Gambar. 2, a). Karakteristik kontrol generator dengan eksitasi paralel memiliki bentuk yang sama dengan karakteristik generator dengan eksitasi independen (lihat Gambar 2, c).

Generator paralel-bersemangat digunakan untuk memberi daya pada konsumen listrik di mobil penumpang, mobil, dan pesawat terbang, seperti generator untuk menggerakkan lokomotif listrik, lokomotif diesel, dan gerbong, dan untuk mengisi baterai penyimpanan.

Generator Eksitasi Seri

Dalam generator ini (Gbr.4, a) arus eksitasi Iw sama dengan arus beban In = Ia, dan tegangan bervariasi secara signifikan ketika arus beban berubah. Saat idle, emisi kecil diinduksi di generator. dll. v. Eri, diciptakan oleh aliran sisa magnetisme (Gbr. 4, b).

Saat arus beban meningkat Ii = Iv = Iya, fluks magnet meningkat, mis. dll. p. dan tegangan generator, peningkatan ini, seperti pada mesin dengan eksitasi sendiri lainnya (generator dengan eksitasi paralel), berlanjut hingga batas tertentu karena saturasi magnetik mesin.

Ketika arus beban meningkat di atas Icr, tegangan generator mulai menurun, karena fluks magnet eksitasi karena saturasi hampir berhenti meningkat, dan efek demagnetisasi dari reaksi jangkar dan penurunan tegangan pada rangkaian belitan jangkar IяΣRя terus meningkat . Biasanya Icr saat ini jauh lebih tinggi daripada arus pengenal. Generator dapat beroperasi secara stabil hanya pada bagian ab dari karakteristik eksternal, yaitu. pada arus beban lebih tinggi dari nominal.

Karena dalam generator yang tereksitasi seri tegangan sangat bervariasi dengan perubahan beban dan mendekati nol selama operasi tanpa beban, mereka tidak cocok untuk memasok sebagian besar konsumen listrik. Mereka hanya digunakan dengan pengereman listrik (rheostatik) dari motor seri-eksitasi, yang kemudian dipindahkan ke mode generator.

Beras. 4. Diagram skematik generator eksitasi seri (a) dan karakteristik eksternalnya (b)

Generator eksitasi campuran.

Dalam generator ini (Gbr. 5, a), paling sering kumparan eksitasi paralel adalah yang utama, dan yang seri adalah yang tambahan.Kedua kumparan memiliki polaritas yang sama dan terhubung sehingga fluks magnet yang dihasilkannya menambah (pergantian konkordan) atau pengurangan (peralihan berlawanan).

Sebuah generator dengan eksitasi campuran, ketika belitan medannya terhubung dalam kesepakatan, memungkinkan tegangan yang kira-kira konstan diperoleh saat beban berubah. Karakteristik eksternal generator (Gbr. 5, b) dapat pada perkiraan pertama direpresentasikan sebagai jumlah karakteristik yang dibuat oleh setiap koil eksitasi.

Beras. 5. Diagram skematik generator dengan eksitasi campuran (a) dan karakteristik luarnya (b)

Ketika hanya satu belitan paralel yang dihidupkan, yang dilalui arus eksitasi Iв1, tegangan generator U secara bertahap berkurang dengan meningkatnya arus beban In (kurva 1).Ketika satu belitan seri dihidupkan, di mana arus eksitasi Iw2 = In , tegangan U meningkat dengan meningkatnya arus In (kurva 2).

Jika kita memilih jumlah belitan dari belitan seri sehingga pada beban nominal, tegangan yang dihasilkannya ΔUPOSOL mengkompensasi penurunan tegangan total ΔU, ketika mesin beroperasi hanya dengan satu belitan paralel, maka dimungkinkan untuk mencapai itu tegangan U tetap hampir tidak berubah , ketika arus beban berubah dari nol ke nilai pengenal (kurva 3). Dalam praktiknya, ini bervariasi dalam 2-3%.

Dengan menambah jumlah lilitan belitan seri, dimungkinkan untuk memperoleh karakteristik di mana tegangan UHOM akan memiliki lebih banyak tegangan Uo saat idle (kurva 4), karakteristik ini memberikan kompensasi untuk penurunan tegangan tidak hanya pada resistansi internal dari rangkaian jangkar generator, tetapi juga pada saluran yang menghubungkannya ke beban. Jika belitan seri dihidupkan sehingga fluks magnet yang dihasilkannya diarahkan ke fluks belitan paralel (pergantian balik), maka karakteristik eksternal generator dengan jumlah belitan seri yang banyak akan turun tajam. (kurva 5).

Koneksi terbalik belitan medan seri dan paralel digunakan dalam generator las yang beroperasi dalam kondisi hubung singkat yang sering. Dalam generator seperti itu, jika terjadi korsleting, belitan seri hampir sepenuhnya mendemagnetisasi mesin dan mengurangi arus hubung singkat. ke nilai yang aman untuk generator.

Generator dengan belitan medan dengan koneksi berlawanan digunakan pada beberapa lokomotif diesel sebagai pembangkit generator traksi, mereka memastikan keteguhan daya yang dipasok oleh generator.

Patogen semacam itu juga digunakan pada lokomotif listrik arus searah. Mereka memberi makan belitan medan motor traksi yang beroperasi dalam mode regeneratif selama pengereman regeneratif dan memberikan karakteristik eksternal yang turun tajam.

Eksitasi campuran generator adalah contoh tipikal dari regulasi gangguan.

Generator DC sering dihubungkan secara paralel untuk beroperasi di jaringan umum.Prasyarat untuk operasi paralel generator dengan distribusi beban sebanding dengan daya nominal adalah identitas karakteristik eksternalnya. Saat menggunakan generator dengan eksitasi campuran, belitan seri mereka untuk menyamakan arus harus dihubungkan di blok yang sama dengan kabel penyeimbang.